CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.3.Thực nghiệm chế tạo mẫu 1 Chế tạo vật liệu Li4Ti5O
Hình 2.4: Dạng xung điện thế trong Von- Ampe vòng (CV).
Vật liệu Li4Ti5O12 có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau [1], [4], [21], tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn, tôi lựa chọn phương pháp phản ứng pha rắn kết hợp với nghiền bi năng lượng cao. Đây là một trong những phương pháp đơn giản về công nghệ, có hiệu quả kinh tế cao và có thể sản xuất vật liệu bột với số lượng lớn, chính vì thế chúng tôi lựa chọn phương pháp này để chế tạo vật liệu Li4Ti5O12.
Quá trình chế tạo vật liệu Li4Ti5O12 được thực hiện theo các bước được mô tả trong sơ đồ hình 2.5.
2.3.1.1. Chuẩn bị vật liệu
Hình 2.5: Quy trình chế tạo vật liệu LTO.
Chuẩn bị nguyên vật liệu TiO2; Li2CO3 (Li:Ti = 4:5)
Nghiền trộn trong ethanol (Bằng máy nghiềnRetsch trong 2h)
Thiêu kết lần 1 (Ở 800 oC trong 4h)
Nghiền trộn lần 2 (Bằng máy Retsch trong 6h)
Thiêu kết lần 2
Vật liệu tích/thoát ion Li4Ti5O12 được chế tạo từ các chất ban đầu có độ sạch cao gồm: ôxit TiO2 (99,9%) và muối Li2CO3 (99,99%). Căn cứ vào tỉ lệ thành phần nguyên tử kim loại trong Li4Ti5O12 (Li:Ti = 4:5), chúng tôi đã tính khối lượng của ôxit TiO2 và muối Li2CO3 pha trộn cần thiết, chẳng hạn để chế tạo 5 g vật liệu Li4Ti5O12:
- Khối lượng Li trong 5g vật liệu Li4Ti5O12 là: 0,302 g, lượng muối Li2CO3 cần thiết là : 2 3 Li CO 0,302.73,88 m 1,6075 13,88 = = g.
Vì độ sạch 99,99% nên khối lượng thực tế là:
2 3 Li CO 100 m 1,6075 1,6076 99,99 = ≈ g.
- Khối lượng Ti trong 5g vật liệu Li4Ti5O12 là: 2,606 g, lượng ôxit TiO2 cần thiết là: 2 TiO 2,606.79,867 m 4,349 47,867 = =
Vì độ sạch 99,9% nên khối lượng thực tế là:
2TiO TiO 100 m 4,349. 4,353 99,9 = = g.
Sử dụng cân điện tử với sai số dưới 0,1% để cân vật liệu theo khối lượng đã định.
2.3.1.2. Nghiền trộn trong ethanol
Hỗn hợp vật liệu được pha trộn theo tỉ lệ đã định được nghiền trộn trong ethanol bằng máy nghiền bi năng lượng cao Retsch với tốc độ 400 vòng/phút trong thời gian 2 giờ. Công đoạn này có ý nghĩa quan trọng làm cho các hạt bột mịn, tạo ra sự đồng đều của vật liệu.
2.3.1.3. Nung sơ bộ
được sấy khô và ủ nhiệt ở 800 oC trong lò hộp Nabertherm với tốc độ gia nhiệt là 10 oC/phút. Khi đạt nhiệt độ 800 oC nhiệt độ được giữ không đổi trong 4 giờ sau đó tắt lò để nguội tự nhiên.
Công đoạn này có vai trò rất quan trọng: tại nhiệt độ 800 oC có sự phân hủy của Li2CO3 để giải phóng CO2 và tác dụng với TiO2 theo cơ chế phản ứng pha rắn tạo thành các pha hợp chất.
Sau công đoạn này, vật liệu bột được phân tích bởi nhiễu xạ tia X. Kết quả cho thấy hợp chất Li4Ti5O12 đã được hình thành và có độ đơn pha cao.
2.3.1.4. Nghiền trộn lần 2
Hỗn hợp bột thu được tiếp tục được nghiền trộn lần 2 bằng máy nghiền bi năng lượng cao Retsch với tốc độ 400 vòng/phút, hỗn hợp được nghiền trộn trong 6 giờ. Công đoạn này nhằm mục đích: tạo kích thước hạt đạt mức nano và tạo độ đồng đều hơn nữa cho hỗn hợp, đồng thời cung cấp năng lượng cho phản ứng pha rắn tiếp tục xảy ra.
2.3.1.5. Thiêu kết
Thiết bị được sử dụng thiêu kết là hệ lò nung Nabertherm với chế độ hoạt động hoàn toàn tự động theo chương trình cài đặt trước. Sau khi nghiền trộn lần 2, mẫu được chúng tôi đem thiêu kết ở nhiệt độ 1000 oC trong thời gian 12 giờ với tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút và sau đó để nguội tự do.
Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy trong quá trình thiêu kết này spinel Li4Ti5O12 bị phân li tạo thành pha hợp chất Li2Ti3O7.